Det 5d orbitala energigapet ΔEg för Ho3þ-joner mellan t.ex. och t'2g(t2g) vid LP-fas (a) och HP-fas (b). Insättningarna visar 0 GPa och 34,0 GPa platssymmetri för Ho 3+ , respektive. (c) Energinivådiagram för Ho 3+ under dekompression, två utsläppscentraler av S center respektive L center presenteras. Energiöverföringen från Ho 3+ jonpar-korsrelaxation (CR) vid L-centret påskyndar 5F5-populationen och förstärker därmed 5F5 till 5I8-strålningen. Kredit:Center for High Pressure Science &Technology Advanced Research
Fotoluminescens (PL) är ljusemission från ett ämne efter absorption av fotoner stimulerad av temperatur, elektricitet, tryck, eller kemidopning. Ett internationellt team av forskare ledda av Dr. Wenge Yang från Center for High Pressure Science &Technology Advanced Research (HPSTAR) presenterar en stark tricolor PL uppnådd i icke-PL pyroklor Ho 2 Sn 2 O 7 genom högtrycksbehandling. Intressant nog kan PL förbättras mycket efter tryckavlastning och återställas till omgivningsförhållanden. Deras studie publiceras i det senaste numret av Fysiska granskningsbrev .
Fotoluminescensmaterial används i stor utsträckning inom biokemi och medicin, som kan användas som laser, etiketter och sensorer mot förfalskning. Pyroklor av sällsynta jordartsmetaller har väckt stor uppmärksamhet för sina potentiella optiska egenskaper, stabil struktur och kemiska egenskaper. Pyroklorens luminescenskaraktär kommer huvudsakligen från joner av sällsynta jordartsmetaller. Det har potential att användas under extrema förhållanden eftersom utsläppet av pyroklor är okänsligt för den yttre miljön.
"Tryck har använts i stor utsträckning som ett unikt verktyg för att justera PL-egenskaperna hos material, såsom hybridperovskiter", sa Dr Wenge Yang. "Så vad kommer att hända för att applicera tryck på icke-PL-material som det strukturella stabila pyrokloret Ho 2 Sn 2 O 7 , ett typiskt material som används i kärnreaktorer eller immobilisering av avfall."
När Ho 2 Sn 2 O 7 är komprimerad över ~31 GPa, den icke-PL Ho 2 Sn 2 O 7 visar tricolor PL, spänner från grönt till rött till nära infrarött område med grön PL dominerar. Mer intressant, trikolor PL är inte bara bibehållen utan också till stor del förstärkt (två gånger förstärkt i grön och nära infraröd PL och fyra gånger i röd PL) och med röd PL dominant efter trycksläckning. Som referens, den återvunna Ho 2 Sn 2 O 7 med tryckbehandlade under 31 GPa visar ingen PL alls.
"Faktiskt har tryck inducerat PL i många material, men den tryckinducerade PL i de flesta material kommer att försvinna efter tryckavlastning, " sa Dr Yongsheng Zhao, den ledande författaren av studien. "Trefärgad PL i Ho 2 Sn 2 O 7 kan återställas till omgivande tillstånd och till stor del förbättring med tryckavlastning är verkligen spännande beteende eftersom dessa material kan ha potentiell tillämpning för trycktröskelsensorn på extrema tillståndshistoriken."
Vad gör då den färgglada PL i den komprimerade Ho 2 Sn 2 O 7 ?
För att ytterligare undersöka den unika PL som induceras i Ho 2 Sn 2 O 7 , teamet genomförde röntgendiffraktions- och röntgenabsorptionsmätningar för att spåra strukturerna under kompressionen i provet. Röntgendiffraktionerna visar att vid trycket där PL kom fram, provet genomgick också en kristallstrukturomvandling. Och vid dekompression, materialet ändrades till amorft tillstånd.
"Vår ytterligare analys av kristall- och elektronisk struktur visade att den centrosymmetriska platssymmetrin hos Ho 3+ förändring till icke-centrosymmetrisk under strukturell förändring vid högt tryck, " förklarade Dr. Yongsheng Zhao. "Detta förbättrade hybridiseringen av Ho 3+ elektronorbitaler och på så sätt leder till framväxten av tricolor PL. Och den förbättrade PL i amorft tillstånd kommer från energiutbytet mellan de två Ho 3+ , vilket stimulerar ytterligare ett emissionscenter i det släckta provet."
"Vår studie belyser tryckeffekten på den lokala jonplatsens symmetri, vilket till stor del vänder och möjliggör det nya emissionscentret från traditionellt mindre än 1 % dopningsnivå av RE-jonmaterial till en vanlig plats RE (18 % i detta fall). Den nya fysikprincipen skulle potentiellt kunna användas för många andra typer av system, " tillade Dr. Yang.
